《1 钢铁结构材料高性能化的提出及发展》

1 钢铁结构材料高性能化的提出及发展

日本钢铁界及日本国家金属研究院 (NRIM) 经过1995-1996年两年的调研[1], 在日本科技厅四大计划 (脑科学、信息技术、地球科学和超级钢) 的启动和支持下, 1997年出台了超级钢研究工程 (STX-21) 项目。其目的是开发对社会和经济影响最大的新型结构材料, 减轻环境负担和通过将超级钢的强度和寿命提高1倍来降低超级钢的总成本。这项计划以NRIM为主建立结构材料前沿研究中心 (FRC) , 从事基础研究开发工作已实现目标和取得突破。这是一个10年期的项目, 日本政府投资1 000×108日元。与此同时通产省宣布了为期5年的 (1997-2002年) 的“超级金属”计划。并以五大钢铁公司和工业技术院合作, 从事铁基材料显微组织控制技术的研究, 围绕着把晶粒尺寸控制在微米级的技术开展工作, 强调这是“最大限度开发钢铁材料的全新技术”, 每年支持约250×108日元的经费。日本的举措, 被认为是对世界最重要的工程结构材料钢铁的再认识, 是“第二次铁器时代”来临的前期征兆, 即传统材料经过努力可以高性能化, 可以使强度和寿命提高1倍, 到2030年, 钢铁材料的强度和寿命再提高1倍, 吹响了“向钢铁进军”的新号角。

1年之后, 即1998年, 国际上有类似的3项新研究项目立即启动。1998年3月, 在国际钢铁协会 (IISI) 主持下, 由欧洲和北美35家钢厂和汽车厂联合的“超轻钢车身”项目出笼 (ultra light steel body project, ULSAB) , 它要求车身强度提高80%, 车重减轻25%, 车重可由平均1 300 kg/辆降至900 kg/辆, 达到百公里燃耗可降0.7 L/辆, 对轿车理想燃耗比可从13 km/L提高到34 km/L, 这项计划预计2003年底结束, 实际钢材面板屈服强度提高1倍 (为35~60 kg级) 。另一项是韩国启动“21世纪高性能结构钢发展”10年项目, 由浦项钢铁公司总工程师负责并执行总协调。核心研究力量为浦项公司的研究开发总部, 政府产业资源部筹措部分资金, 各大学及相关研究院参加。第一期5年主要是实验室研究, 第二期5年建立原型钢中间生产厂并确立制造技术, 其核心仍是超细晶粒钢的获得, 并延伸到耐气候影响, 耐海洋气氛影响[2]

我国在1997年启动了国家攀登项目“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”。由于日、韩、欧美对先进钢铁结构材料的迅速启动和对超级钢 (以达到1 μm尺寸的铁素体晶粒尺寸为目的) 的宣传, 1998年10月我国在“九七三”项目中批准了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目, 并作为我国第一批“九七三”启动的项目之一。由于原攀登项目和新的“九七三”项目首席科学家为同一人 (本文作者) , 故攀登项目停止工作, 两项目合并, 这是当年启动的第三项研究。

由超级钢思路发展形成“超细晶粒钢”得到美国等发达国家响应, 2001年欧共体以CRM (比利时Liege的冶金研究中心) , CSM (罗马的材料发展中心) , BFI (德国钢铁制造者协会的研发机构) 及MEFOS (瑞典研发机构) 为主的同一目的的项目也已启动。至此, 全球性的先进钢铁结构材料研发工作蓬勃展开已成定局, 又竞争又交流, 又有基础研究又有开发研究的局面已经形成, 并定于2002年5月在日本筑波召开世界第一次先进钢铁结构材料国际大会, 由日本金属研究院院长任主席, 中国该项目首席科学家及韩国代表 (浦项CTO) 任副主席。相信经过3~5年的国际性工作, 新类型的先进钢铁结构材料必将诞生。

《2 新一代钢铁材料的基本特征》

2 新一代钢铁材料的基本特征

在日本提出超细晶粒钢 (1μm为代表的铁素体晶粒尺寸) 为特征的超级钢基础上, 我国研究人员全面分析了钢铁材料的化学成分、组织结构、力学性能、工艺制造诸因素的关联耦合。提出以超细晶为核心, 高纯净和高均匀性三特征为新一代钢铁材料的共性。这是先进钢铁结构材料应同时满足组织结构和工艺制造基础, 是达到性能和寿命提高1倍目标必须满足的条件。

日本采用还原铁粉放入充氩的振动球磨机球磨后, 在氢气氛中退火, 抽真空压缩成形试验试样, 利用不同热处理制度形成不同晶粒尺寸的等轴铁素体晶粒, 其晶粒尺寸 (d) 与屈服强度 (σ) 关系如图1所示1

《图1》

图1 铁的晶粒尺寸与屈服强度关系

图1 铁的晶粒尺寸与屈服强度关系  

Fig.1 Variation of yielding strength with grain size of Fe material

图1同时将Hayashi的γ系不锈钢数据放在一起。图1表明, 在超细晶范围内铁基材料的屈服强度随晶粒尺寸的变化仍符合σsd-1/2的Hall-petch关系, σs从200 MPa随晶粒从20 μm细化到亚微米 (0.26 μm左右) 后可达1.4 GPa, 增加可达5倍以上。我国研究人员利用宝钢生产的X65商业管线钢板, 经实验室细化晶粒后, 屈服强度和晶粒尺寸关系在晶粒细化到1.07 μm后仍满足Hall-petch关系, 达到屈服强度翻番[4] (见图2) 。证明了采用晶粒超细化 (从传统的20~30 μm的细晶粒细化到1~5 μm的超细晶粒) 就可能使强度翻番目标得以实现。问题是如何采用工业界认可的技术, 经济界认可的成本概念得到大规模工业用钢的超细晶粒化方法。

《图2》

图2 X65铁的晶粒尺寸 (d) -屈服强度关系

图2 X65铁的晶粒尺寸 (d) -屈服强度关系  

Fig.2 Relationship between yielding strenth and grain sizes of Fe material

关于洁净度和均匀性问题, 这是我国研究人员提出在制造工艺中必须面对和重视的重要点, 可参阅文献[3,4]

《3 获得超细晶化的物理冶金基础》

3 获得超细晶化的物理冶金基础

经过近3年的工作, 在钢铁结构材料中获得有工业应用前景的, 实验室或工业试制中显现出超细净化的技术路线概述如下:

(1) 形变诱导铁素体相变 (DIFT) 。这是我国“九七三”项目系统研究, 有独创知识产权和原创性技术, 在碳素钢和低、微合金钢中有广泛应用前景。

韩国开发应变诱导动态相变 (SIDT) , 在原理上和DIFT类似, 但轧制温度更低以达到相变驱动力更大。这和我国“973”项目中北京科技大学的形变强化铁素体相变路线有更多相近之处。

(2) 应变诱导M (C, N) 析出和中温相变控制的复合作用。这被认为“薄板坯连铸连轧”和“中厚板微合金高强板”获得超细晶的新技术路线。我国珠江钢铁公司CSP流程近期已初步试制、生产出汽车用热轧大梁用钢, 将传统屈服强度σs=195 MPa级 (08钢级) 提高到Q330级 (σs=330 MPa) , 取代原来16 Mn Q335级钢材应用。中厚板已在实验室开发出σs=800 MPa级原型用钢。

(3) 抗延迟断裂性能好的 (σs=1 500 MPa) 超高强度合金结构钢。这是中、日、韩三国的共同目标, 若开发成功将打破当今世界合金结构钢不能应用在σs>1 200 MPa的禁令。从技术路线讲, 有三种不同方法, 即:

带残余奥氏体的双相组织 (B+A, F+ A, M+A, ) 用钢;合金钢采用微合金化原理增强增韧;晶界氮化物强化, 而不是碳化物强化的合金结构钢。

从这三类细化晶粒方法看, 是近20年控轧控冷 (TMCP) 理论和微合金化理论的新发展, 是90年代“临界轧制”思路的具体化发展。迄今为止, 只有中国把基础研究—工艺过程控制—工业试制和使用考核联系在一起, 开始把实验室研究和产品开发相结合, 因而受到国际同行的关注 (可参阅文献[5]) 。

《4 形变诱导铁素体相变 (DIFT) 原理》

4 形变诱导铁素体相变 (DIFT) 原理

通常钢材的热轧过程都发生在高温奥氏体 (γ) 区进行, 传统称为奥氏体轧制 (见图3-a) 。为了获得低温铁素体 (α) 的稳定组织, 轧后必须首先满足γα的热力学条件, 如图3-b, 在传统结构钢中穿过γγ+α的A3线区, 即首先有它的热力学平衡公切线。传统热轧时由变形引起的畸变能在轧间、轧后甚至慢速轧制时由于动态回复、再结晶等过程而释放。如果人为保持设定条件, 将热轧变形产生的畸变能储存, 并转化为相变驱动力的一部分, 这将带来自由能状态的变化 (见图3-b) , 它会使相图公切线变化, 引起两相碳溶解度的变化 (也就引起组织状态的变化) 。从自由能计算的变化可以证明这一想法, 在γα相变时:

《图3》

图3 形变诱导铁素体相变原理图Fig.3 Prototype of deformation induced ferrite transformation (DIFT)

图3 形变诱导铁素体相变原理图Fig.3 Prototype of deformation induced ferrite transformation (DIFT)   

ΔG=-V(ΔGV-ΔGE)+ΔGS(1)

式中 ΔGV ——体积自由能变化;

ΔGE——弹性自由能变化;

ΔGS——表面自由能变化。

在有应变储存能存在时, (1) 式成为:

ΔG=-V(ΔGV-ΔGE)+ΔGS+ΔGD(2)

式中ΔGD是应变储存能变化, 它与位错密度增加有关。

《图4》

图4 形变诱导铁素体相变中的应变存储能变化

图4 形变诱导铁素体相变中的应变存储能变化  

Fig.4 Deformation stored energy change during DIFT process

根据 (2) 式, Fe-C平衡相图将改变为图4的动态相变, 由平衡的Ae3 (γγ+α) 线变成根据应变储存能不同大小的AD3线 (式中10 J/mol到100 J/mol为ΔGD的设定) , 即A3点在轧制时提高到AD3。从图4看出, AD3~Ae3之间的区域 (在实际轧制时AD3~Ae3~Ar3整个区域) 形成非稳态区:由稳定的γ态在有应变能储存式转变为γ+α区, 即有非稳态α相形成。根据计算和试验, 这个新生的α相是超细、新生的铁素体相, 经过控制冷却成为我们目的性产物。这就是形变诱导铁素体相变的简单原理。图5是试验证明, 在非轧制态下奥氏体保温稳定后水淬形成马氏体组织 (左图) ;而在相同温度制度下施以必要应变并诱导相变, 同样热制度下得到超细铁素体组织。Q235钢实验室多道次热轧获得均匀等轴的超细组织见图6。按照Hall-petch计算和力学测定, 强度接近翻番。

《图5》

图5 形变诱导铁素体相变的试验证明

图5 形变诱导铁素体相变的试验证明  

Fig.5 Experimental confirmation for DIFT

《图6》

图6 Q235钢经多道次轧制后的晶粒尺寸变化Fig.6 Grain size change during multi-passes rolling in Q235 steel

图6 Q235钢经多道次轧制后的晶粒尺寸变化Fig.6 Grain size change during multi-passes rolling in Q235 steel  

《5 超细晶钢铁材料的试制试用》

5 超细晶钢铁材料的试制试用

基于超细晶钢的理论研究和实验室试验成果, 现已逐步扩展到工业现场进行试制和用户的试用, 并仅就2001年的试制试用现况作一介绍。

《5.1热轧板带轧机试制》

5.1热轧板带轧机试制

在宝钢2050热轧板带轧机上进行了3次试轧试验后, 已经试生产了800 t以上的热轧薄板, 全部供第一汽车厂作载重货车发动机前置横梁, 产品力学性能和冷弯性能检验全部合格, 一汽工艺性能100%合格 (图7) 。至今已有3×104多辆用试制材料的货车投入运行, 并将陆续投入2×104辆以上试用考核, 正式设计定型后, 成为“超轻钢车身”工作的一部分。原设计试用低合金钢, 用新的超细晶碳素钢, 吨钢材成本下降10%~15%, 这还未含车身减重带来的效益。

《图7》

图7 超细晶碳素钢在一汽的运用

图7 超细晶碳素钢在一汽的运用  

Fig.7 Application of ultra-fine grained steel in First Automobile Works

《5.2薄板坯连铸连轧机试制》

5.2薄板坯连铸连轧机试制

目前我国珠江钢铁公司的国内第一条薄板坯连铸连轧生产线已能规模供应超细晶钢。该厂已将原σs=195 MPa的低碳钢经超细晶轧制后达σs=330 MPa, 将原σs=235 MPa的普通碳素钢经超细晶轧制后达σs=400 MPa级 (表1) , 现已生产60 t试验材供汽车厂试用。超细晶碳素集装箱板钢已成批供应市场。

表1 超细晶轧制在薄板坯连铸连轧上的应用

Table 1 Application of ultra-fine grained rolling in thin-slab continuous rolling mill

《表1》

商业Q195钢 标准性能试验钢材
σs /MPa195323~376
σb /MPa315~390430~489
δ5 /%3232~38

《5.3棒线材连轧机组试制》

5.3棒线材连轧机组试制

在首钢、唐钢原理验证试验基础上, 2001年在淮钢18机架的棒线材连轧机上试生产了大规格 (直径大于20 mm) 的螺纹钢。试制证明了由原Ⅰ级螺纹钢可由超细晶生产达Ⅲ级标准, Ⅱ级螺纹钢成分由超细晶生产达IV螺纹钢性能, 提升了二个级别 (表2) 。

《5.4合金钢棒线材试制》

5.4合金钢棒线材试制

由大连钢厂试制的1 500 MPa抗延迟断裂超细晶新钢种AFD钢, 已通过南京汽车公司的全部工艺和性能考核, 开始在依维柯汽车作外暴露件高强螺栓, 做成当前世界最高强度级 (13.9级) 的汽车螺栓;跑车试验尚未结束, 虽未得到最终结果, 但已显示良好的运行状态。已完成1 500 MPa级 (14.9级) 的钢厂及汽车厂的工艺考核, 准备装车试用。

采用形变诱导铁素体相变 (DIFT) 得到超细晶的先进结构钢, 有以下一些特点:

表2 超细晶轧制在棒线材连轧上的应用

Table 2 Application of ultra-fine grained rolling in continuous bar rolling mill

《表2》

σs/
MPa
σb/
MPa
δ5
/%
屈强比均匀延伸率/
%
备注
商业Q235235375~460≥26I级螺纹钢
试验钢材405505310.80已达Ⅲ级
螺纹钢
商业
HRB335
≥335≥490≥16≥ 0.80抗震要求
≥9
Ⅱ级螺纹钢
试验钢材510~520625~64025~33~0.8114~16已达Ⅳ级
螺纹钢

(1) 临界晶核尺寸小于其他相变的临界晶核尺寸。根据计算, 若ΔGD=50 J/mol, 则临界晶核尺寸r=0.64 μm。而相同条件下再结晶晶核尺寸接近1 μm。因此超细晶达1 μm是可能的。

(2) 产生DIFT所允许的轧钢温度范围 (Ad3~Ar3) 比较宽, 一般在100 ℃左右温度区间, 尽管它与变形量、变形速率、轧间和轧后冷速有关, 但生产工艺不难控制, 因此现场易于推广。

(3) 在宝钢的现场试验证明, 采用DIFT轧之所需的轧制力比传统轧制稍有增加, 但最大负荷仅增加20%左右, 不影响现有板带轧机的设备负荷配置。

(4) 计算和试验证明, DIFT是一个形核为主的相变过程, 形核率与ΔGD式指数成正比关系, 只有加大形核率, 才能细化产生的组织结构, 这就是强度和韧性同时提高的原因所在。

(5) 某些微合金元素的加入促进了DIFT相变, 少量Nb加入到16 Mn钢中证明, 单位体积诱导的铁素体体积百分数在应变量达0.6以后可成倍或数倍增加。这与微合金碳化物促进铁素体形核有关。

综上所述, 以超细晶为核心的钢铁结构材料高性能化已从20世纪90年代末期开始在日、韩、中、欧洲和北美广泛开展研究, 预期3~5年内会出现一定的突破。

《注释》

注释

1 高木节雄.日本高强高韧钢最近进展 (内部资料) , 1998